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第 42 卷第 6 期煤 炭 科 学 技 术Vol 42 No 6 2014 年6 月Coal Science and TechnologyJune 2014 矿区瓦斯近零排放分布式能源系统的构建与实践 林柏泉1ꎬ李庆钊1ꎬ原德胜1ꎬ2ꎬ李继昌2 1 中国矿业大学 安全工程学院ꎬ江苏 徐州 221116ꎻ2 陕西彬长矿业集团有限公司ꎬ陕西 咸阳 721000 摘 要为解决煤矿不同浓度瓦斯难以高效利用的难题ꎬ根据低浓度瓦斯的特点ꎬ系统分析了矿区瓦 斯资源利用的技术关键ꎬ研究了以不同浓度瓦斯阶梯式利用为基础的分布式能源系统工艺ꎬ建立了以 瓦斯浓度与能量品位为因素的矿区瓦斯双效阶梯式利用的新模式ꎮ 在彬长矿区大佛寺煤矿投建了总 装机容量 13 000 kW 低浓度瓦斯发电集群和 10 台 6 万 m3/ h 风排瓦斯氧化发电系统ꎬ能量利用效率 约为 70%ꎮ 2009 年至今ꎬ累积发电量 2.0108kWhꎬ累计减排当量二氧化碳 6.3105tꎬ取得了良好的 社会及环保经济效益ꎮ 关键词煤矿瓦斯ꎻ阶梯式利用ꎻ瓦斯零排放ꎻ分布式能源系统 中图分类号TD712 文献标志码A 文章编号0253-2336201406-0045-04 Establishment and Practices on Distribution Type Energy System Based on Gas Near Zero Emission in Mining Area LIN Bai ̄quan1ꎬLI Qing ̄zhao1ꎬYUAN De ̄sheng1ꎬ2ꎬLI Ji ̄chang2 1. School of Safety EngineeringꎬChina University of Mining and TechnologyꎬXuzhou 221116ꎬChinaꎻ 2. Shaanxi Binchang Mining Group Corporation LimitedꎬXianyang 721000ꎬChina AbstractIn order to solve a high efficient utilization of mine different concentration gasꎬfrom the low concentration gas featuresꎬthe paper systematically analyzed the technical key of the mine gas utilization and had a study on the distribution type energy system technique based on the ladder type utilization of the different concentration gas.A new model of the mine gas double effect ladder type utilization type utili ̄ zation was established based on the gas concentration and energy grade as the factor.A low concentration gas-fired power generation cluster and ten sets 60 000 m3/ h ventilation gas oxidation power generation system with a total installed capacity of 13 000 kW was set up in Dafo ̄ si Mine of Binchang Mining Area and the energy utilization efficiency was about 70%.From the year of 2009 up to nowꎬan accumulated power generation was 2.0108kWh and a total emission reduction of the carbon dioxide was 6.3105t.The good social and environment protection economic benefits were obtained. Key wordsmine gasꎻladder type utilizationꎻgas near zero emissionꎻdistribution type energy system 收稿日期2014-03-11ꎻ责任编辑曾康生 DOI10.13199/ j.cnki.cst.2014.06.009 基金项目国家重点基础研究发展计划973 计划资助项目2011CB201205ꎻ国家自然科学基金资助项目51204169 作者简介林柏泉1960ꎬ男ꎬ福建龙岩人ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎮ Tel0516-83590593ꎬE-maillbq21405@ 126 com 引用格式林柏泉ꎬ李庆钊ꎬ原德胜ꎬ等.矿区瓦斯近零排放分布式能源系统的构建与实践[J].煤炭科学技术ꎬ2014ꎬ42645-48. LIN Bai ̄quanꎬLI Qing ̄zhaoꎬYUAN De ̄shengꎬet al.Establishment and Practices on Distribution Type Energy System Based on Gas Near Zero E ̄ mission in Mining Area[J].Coal Science and Technologyꎬ2014ꎬ42645-48. 0 引 言 分布式能源技术是未来世界能源技术的重要发 展方向ꎬ它具有能源利用效率高、环境影响小、能源 供应可靠和经济效益好等特点ꎬ其将成为我国新兴 能源技术发展的潜力及产业发展的重点ꎮ 我国能 源发展“十二五”规划指出ꎬ根据我国常规天然气、 煤层气、页岩气供应条件和用户能量需求ꎬ重点在能 源负荷中心加快建设天然气分布式能源系统ꎮ 对开 发规模较小或尚未连通管网的页岩气、煤层气等非 常规天然气资源ꎬ优先采用分布式利用方式ꎮ 因此ꎬ 分布式能源是立足我国现有能源资源、全力提高资 源利用效率、扩大资源的综合利用、保证可持续发展 战略实施的有效途径之一[1-3]ꎮ 然而ꎬ与传统天然 气分布式能源系统不同ꎬ以矿区煤层气瓦斯作为 一次燃料的“矿区瓦斯分布式能源系统”具有自身 特点ꎮ 1抽采瓦斯气体的成分、浓度、流量具有较大 54 2014 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 42 卷 的波动特征[4]ꎮ 受煤层赋存的地质特征、煤层透气 性及开采方式等多种因素的影响ꎬ煤层瓦斯量在抽 采过程通常表现出一定的衰减规律ꎬ其抽采的气体 成分、含瓦斯浓度及瓦斯量均表现出较大的波动性 特征ꎮ 而对于煤矿抽采的瓦斯来讲ꎬ低浓度瓦斯特 别是风排瓦斯所占的比例超过 70%ꎬ该部分瓦斯的 有效利用对于煤层瓦斯的减排具有极其重要的现实 意义ꎮ 2抽采出的含氧煤层气瓦斯的安全输送关 键技术[5-6]ꎮ 瓦斯是煤炭的伴生资源ꎬ其利用技术 与煤矿安全生产紧密相关ꎬ煤矿瓦斯的资源化利用 是在不影响煤矿安全生产的前提下实现抽采瓦斯的 合理高效利用ꎮ 因此ꎬ抽采含氧瓦斯混合气体的安 全输送是瓦斯资源化利用的关键技术保障ꎮ 3不同浓度瓦斯与利用模式的综合协调及资 源与能量利用的最大化[7-8]ꎮ 由于煤矿抽采含瓦斯 气体成分、浓度、流量具有较大的波动特性ꎬ在现有 技术条件下“不同浓度瓦斯气体”与“利用模式”之 间尚存在较大的差异ꎬ如何实现不同浓度瓦斯与利 用模式间的相互协调则是实现煤矿瓦斯高效及能量 最大化的技术基础ꎮ 因此ꎬ实现煤矿区瓦斯资源规 模化开发的协调及不同浓度瓦斯与利用模式之间的 匹配与适应是瓦斯综合利用最大化与矿区瓦斯分布 式能源系统发展的关键ꎮ 1 瓦斯近零排放分布式能源系统构建模式 1 1 瓦斯抽采与阶梯式利用的整体模式 2005 年国家八部委联合颁布的煤矿瓦斯治理 与利用实施意见规定的“可保尽保、应抽尽抽、先 抽后采、煤气共采”的原则和 2006 年国务院发布的 国务院办公厅关于加快煤层气煤矿瓦斯抽采利 用的若干意见规定的“采气采煤一体化”思路是实 现“煤炭安全开采-资源综合利用-环境友好协调” 新模式的指导思路ꎮ 从煤气共采的角度ꎬ根据煤矿开采规划ꎬ煤层瓦 斯抽采可分别在井田规划区、煤炭开采准备区、生产 区及采空区按照分区递进式井上下协同网络化立体 抽采技术模式进行图 1ꎬ在抽采时间和空间上采 取统筹兼顾、整体协调的方针进行矿区瓦斯的资源 化开发ꎬ在保障煤矿安全生产的前提下为瓦斯资源 的有效利用提供燃料ꎮ 在煤矿井田的规划区ꎬ瓦斯资源开发主要以地 面井开发为主ꎬ抽采的高浓度80%的瓦斯气体 图 1 煤矿瓦斯资源化抽采与阶梯式利用的整体模式 则由地面集输系统可供民用燃气或化工原料或燃 料ꎮ 同时ꎬ地面抽采也为煤矿井下首采煤层的巷 道开拓和安全生产准备提供一定的安全保障ꎮ 当 然ꎬ在规划区逐步转变为准备区后ꎬ瓦斯抽采将以地 面和井下协同抽采并重ꎬ进一步加强瓦斯资源开发ꎬ 为后续的安全生产提供更好的安全条件和保障ꎮ 而 在煤炭生产区ꎬ瓦斯抽采将以卸压瓦斯的治理为主ꎬ 受采动的影响ꎬ煤体卸压为瓦斯的解吸及渗流提供 了条件和流动通道ꎬ但由于煤体裂隙的充分发育也 极易导致空气向煤体裂隙及抽采系统发生泄漏而使 抽采瓦斯的浓度偏低ꎬ而且随着抽采期的延长及煤 体瓦斯含量降低ꎬ抽采瓦斯的浓度呈现出一定的波 动及衰减规律ꎮ 该部分抽采的瓦斯由于浓度偏低ꎬ 且稳定性较差ꎬ同时由于空气的渗入将使得后续瓦 斯的安全输送及有效的利用带来较大的困难ꎮ 当 然ꎬ在煤炭的开采中ꎬ仍将有大量的瓦斯伴随回风而 排放ꎬ考虑煤矿安全生产的需要ꎬ通风瓦斯的浓度一 般极低通常小于 0 5%ꎬ使得常规燃烧技术难以 对其进行有效利用或销毁ꎬ同时其利用的经济性 较差ꎮ 1 2 矿区瓦斯分布式近零排放能源系统工艺 按照以“抽采瓦斯浓度”为主导的指导思想ꎬ矿 区瓦斯分布式零排放能源系统采用“以瓦斯浓度为 导向、利用模式与瓦斯浓度相匹配”的集成模式进 行构建ꎬ该系统共计包括地面瓦斯抽采输送模块、井 下瓦斯抽采输送及发电模块、风排瓦斯氧化发电模 块、余热综合利用模块等 4 个部分ꎮ 64 林柏泉等矿区瓦斯近零排放分布式能源系统的构建与实践2014 年第 6 期 地面抽采的高浓度瓦斯在净化处理后主要作为 民用或化工燃料ꎬ而井下抽采的低浓度瓦斯8% 则可用于燃气式内燃发电机组的燃料ꎮ 通风瓦斯由 于浓度较低0 3% 0 5%ꎬ常规技术下难以直接 燃烧利用ꎬ而利于蓄热氧化原理的周期性往复流动 模式的氧化装置可以用于风排瓦斯的利用处理ꎮ 同 时为提高氧化系统运行的稳定性和取热的经济性ꎬ 笔者构建的氧化系统尝试将体积分数小于 8%的抽 采瓦斯与风排瓦斯在安全智能浓度控制系统的调节 下予以掺混ꎬ现场考察掺混气体体积分数以 1%左 右较为合适ꎬ以达到氧化装置稳定运行及能量经济 利用的目的ꎮ 风排瓦斯氧化的热量以及燃气内燃机 组排气的余热则通过取热装置及余热锅炉进行回 收ꎬ产生的蒸汽用于推动汽轮机组发电ꎮ 根据能量梯级利用的原理ꎬ做功后蒸汽的热能 用于分布式电站办公场所的区域性供热以提高能量 的利用效率ꎮ 特定地区可设置冷热水机组以实现冷 热联供ꎮ 系统整体工艺的集成如图 2 所示ꎮ 图 2 矿区瓦斯分布式零排放能源系统整体工艺 2 彬长矿区瓦斯分布式能源系统工程实践 2 1 煤层瓦斯地面规模化抽采工程 自2009 年彬长矿业集团大佛寺井田煤层气瓦 斯地面规模化抽采开始实施ꎬ先后完成了 6 口地 面煤层气参数井和抽采试验井ꎬ依据本区煤层气开 发井的资料规划了煤层气开发的优先区ꎬ依据煤层 和煤层气地质特征确定了适当的井型、合理的井位ꎬ 并提出了施工与排采方案ꎮ 尝试了垂直井、多分支 水平井、U 型远对接水平井、V 型井等 4 种不同的井 型在该区的地质适应性ꎮ 2012 年实施了“彬长矿区 煤层气开发总体方案I 期大佛寺井田 30 万 m3/ d 煤层气开采实施及配套总体设计”ꎬ包括“大佛寺井 田 30 万 m3/ d 煤层气开采实施设计”、“大佛寺井田 30 万 m3/ d 煤层气管道输送及储集站设计”、“大佛 寺井田 30 万 m3/ d 煤层气开发生活办公配套设计” 3 个部分ꎮ 2 2 低浓度瓦斯安全输送及发电集群工程 彬长矿业集团低浓度瓦斯发电集群工程建于大 佛寺煤矿风井广场的瓦斯抽采站内ꎬ总装机容量 13 000 kW其中瓦斯发电 12 000 kWꎬ余热发电 1 000 kWꎬ选用 24 台 500GF1-3RW 燃气发电机 组ꎬ 1 台 N1 0-1 27 的汽轮机进行余热发电ꎬ年发 电 8107kWhꎮ 2 3 风排瓦斯氧化发电系统工程 根据大佛寺煤矿的实际通风量ꎬ设计安装 10 台 6 万 m3/ h 的风排瓦斯氧化装置已投运 5 台组建 8 000 kW 蒸汽轮机装机容量的发电站ꎮ 同时通过 添加抽采的低浓度8%瓦斯以提高系统运行的 稳定性及经济性ꎮ 系统年发电量 5108kWhꎬ每年 可回收利用瓦斯 4 700 多万 m3ꎬ减排温室气体折合 56 万 t 当量二氧化碳ꎮ 3 矿区瓦斯阶梯式利用的经济环保效益 3 1 热电联产模式下的能源效率 彬长矿区瓦斯分布式瓦斯零排放能源系统以煤 矿抽采的低浓度瓦斯及风排瓦斯作为系统运行的输 入燃料ꎬ实现了对煤矿低浓度瓦斯的高效合理利用ꎬ 同时在系统构建中实现了热、电、冷多联合生产的目 标ꎬ从能量角度实现了资源的阶梯式利用ꎬ其对于矿 区瓦斯的协调开发和高效利用提供了技术参考ꎮ 基于分布式能源热力系统性能评价测试方 法[9]ꎬ根据大佛寺煤矿低浓度瓦斯及风排瓦斯发电 厂的现场实测ꎬ热电联产系统的整体发电效率约为 28%左右图 3ꎬ整体能量利用效率约为 70%ꎬ达到 了良好的运行状态ꎮ 图 3 热电联产模式下的系统能源利用效率 3 2 分布式能源系统的经济环保效益 彬长矿区瓦斯分布式瓦斯零排放能源系统的构 74 2014 年第 6 期煤 炭 科 学 技 术第 42 卷 建现已基本实现了热已运行、电已运行、冷构 建中多联产的目标ꎬ在为矿区提供能源供应的同 时也减少了由于区域性供暖及用电所产生的煤炭能 源消费及污染物排放ꎮ 此外ꎬ作为温室气体ꎬ甲烷 CH4的温室效应为二氧化碳CO2的 25 倍ꎮ 因 此ꎬ不同浓度煤矿瓦斯的阶梯式有效利用也极大地 降低了温室气体甲烷的排放ꎮ 截至目前ꎬ大佛寺煤矿低浓度瓦斯发电集群工 程已累计利用煤矿区抽采低浓度瓦斯体积达 4 5 107Nm3标况ꎬ累积发电量 2 0108kWhꎬ累计减 排当量二氧化碳 6 3105t图 4图 6ꎬ实现了“煤 矿低浓度瓦斯发电及余热梯级利用产业集群” 及 “煤矿通风瓦斯规模化氧化发电工程示范”ꎬ获得了 CDM清洁发展机制认证与 CERs核证减排量商 业化运行[10]ꎮ 图 4 瓦斯累计利用量 图 5 系统累计发电量 图 6 分布式能源系统累计当量 CO2减排量 4 结 论 1系统分析了“ 矿区瓦斯分布式能源系统“ 特 点ꎬ指出如何实现煤矿区瓦斯资源规模化开发的协 调及不同浓度瓦斯与利用模式之间的匹配与适应是 瓦斯综合利用最大化与矿区瓦斯分布式能源系统发 展的关键ꎮ 2构建了以抽采瓦斯浓度为导向的煤矿区瓦 斯阶梯式利用的分布式能源系统工艺ꎬ实现了基于 瓦斯浓度与能量品位的双效阶梯式利用的新模式ꎮ 提出了煤矿区瓦斯资源化利用需要树立“煤与瓦斯 开发相协调”、“瓦斯抽采与输送工艺相匹配”、“瓦 斯浓度与利用模式相适应”的煤层瓦斯资源化开发 与利用系统工程的新理念ꎮ 3在彬长矿区大佛寺煤矿成功实施了“煤层瓦 斯地面规模化抽采工程、低浓度瓦斯安全输送及发 电集群工程、通风瓦斯氧化发电系统工程”ꎬ该能源 系统已累计利用煤矿抽采低浓度瓦斯体积达 4 5 107Nm3ꎬ累积发电量 2.0108kWhꎬ累计减排当量二 氧化碳 6.3105tꎬ整体发电效率约为 28%左右ꎬ整 体能量利用效率约为 70%ꎬ取得了良好的社会及环 保经济效益ꎮ 参考文献 [1] 何润民ꎬ周 娟ꎬ王良锦ꎬ等.促进我国天然气分布式能源发展 的政策思考[J].天然气技术与经济ꎬ2013ꎬ763-6. 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